（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中的接入选择与准入控制研究.pdf

中文摘要 摘要 当第三代移动通信( 3 ( 3 ) 技术在全球范围内曲折前进的时候，终端制造商和网络运营 商已经开始着手研究第四代移动通信系统( 4 g ) 的关键技术。在目前已经提出的几种主流 4 g 解决方案中，最受推崇的是多系统融合演进的发展路线。业界和学术界人士普遍认 为，下一代无线通信系统应该是一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统 有机地融合在一起的开放式的异构无线网络。本论文以异构无线网络为背景，在协同无 线资源管理思想的指导下，研究了异构无线网络中的接入选择和准入控制问题。本论文 在以下的四个方面展开了深入的研究，概括如下： 为了综合利用异构无线网络中的集群增益和多接入分集增益，本文研究了异构无线 网络中的集中式接入选择问题，并将该问题建模成一个以最小化网络总带宽占用为目标 的整数线性规划闯题，提出了两种低复杂度的次优求勰算法。与利用枚举法寻找最优解 的方式相比，这两种次优算法大大降低了求解过程的计算复杂度。而与没有利用多接入 分集增益的载荷平衡算法相比，这两种次优算法以略微增加计算复杂度为代价，有效地 提高了异构无线网络的资源利用率和网络容量，明显降低了接入选择过程中的中断概 率。 为了保证多模终端在整个通信过程中保持永远最佳连接( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) ， 本文研究了异构无线网络中的分布式接入选择问题。针对能够同时支持多个活跃应用的 多应用终端提出了一种基于终端电池状态的自适应接入选择算法。利用该算法，用户可 以根据终端电池中剩余电量的变化来动态调整代价函数中各种策略参数的权重因子，并 根据自身需求的动态变化来对终端中不同应用的接入选择行为进行协调，从而在用户的 带宽需求满意度与终端电池的生存周期之间取得了灵活的折衷。而且，为了减小分布式 接入选择中的切换同步效应对网络性能和用户的服务质量( q o s ) 所造成的影响，本文提 出了一种自适应的切换时刻决策算法。与现有的切换时刻决策算法相比，该算法明显提 高了切换稳定期对于系统状态变化的敏感度，有效地减少了不必要的垂直切换。 为了对异构无线网络的各组成系统中原有的准入控制策略进行协调，从而向进行系 统问漫游的多摸终端提供无缝q o s 保证，本文研究了分布式接入选择条件下的准入控制 问题。针对一个由蜂窝无线系统和无线局域网所组成的异构无线网络提出了一种面向无 缝q o s 的准入控制策略，将准入控制问题建模成为个以最小化整个网络的服务等级 ( g o s ) 为目标的带有q o s 公平因子约束的优化问题，从而能够针对不同的业务载荷条件 来为异构无线网络配置最佳数量的保护信道和平衡信道。在充分利用各系统中的无线资 中文摘要 源的同时为多模终端提供了无缝q o s 保证。 本文研究了将异构无线网络中的分布式接入选择与准入控制相结合的问题。针对由 基于码分多址接入( c d m a ) 和正交频分多址接入( o f o m a ) 技术的两种软容量系统所构 成的异构无线网络，研究了在多模终端中利用系统广播信息中的资源分配信息来进行系 统载荷估计的问题，提出了一。种c d m a 系统中的接收功率估计算法和一种o f d m a 系 统中的发送功率估计算法。基于系统载荷估计的结果，提出了一种基于功率门限的分布 式准入预测机制和一种基于终端发送功率的分布式接入选择算法，从而能够利用分布式 的准入预测来协助终端作出明智的接入选择决策，在满足用户业务需求的同时高效地利 用了异构无线网络中的无线资源 质量 关键词：具构无线网络，协同无线资源管理，接入选择，呼叫准入控制，无缝服务 英文摘要 a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yo ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) s l o w l y m a r c h e sf o r w a r d , d e v i c em a n u f a c t u r e r sa n dn e t w o r ko p e r a t o r sh a v ea l r e a d y 刚暗r t e d t od or e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a - t i o ns y s t e m ( 4 g ) a m o n ga l lt h ep r o p o s e dm a i n s t r e a mr e s o l v i n gs c e n a r i o s rt h ei d e ao f m u l t i - s y s t e mi n t e g r a t i o na n de v o l u t i o ni st h em o s tp r o m i s i n go n e i ti sw e l la c c e p t e d b yb o t ht h e i n d u s t r i a ld r d 瞄a n dt h ea c a d e m i cc i r c l e st h a t4 gs h o u l db ea no p e nn e t - w o r ke n v i r o n m e n t - h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ( h w n ) ，w h i c hc a ni n t e l l i g e n t l y i n t e g r a t et h ee x i s t i n ga n d t h ef u t u r er a d i oa c c e 龉s y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , u n d e rt h e g u i d a n c eo ft h ec o o r d i n a t e dr a d i o r e s o t l r c em a n a g e m e n tt h e o r y , t h ep r o b l e m so fa c c e s s s e l e c t i o na n dc a l la d m i s s i o nc o n t r o li nh w na r ei n t e n s i v e l ys t u d i e d t h ec o n t e n t so f t h i sw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h et r u n k i n gg a i r ia n dt h em u l t i - r a d i oa c c e 舔d i v e r - s i t yg a i ni nt h eh w n ，t h ep r o b l e mo fc e n t r a l i z e da c c 酷8s e l e c t i o ni ss t u d i e d ，w h i c hi s m o d e n e da sa ni n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e mo p t i m i z e dt om i n i m i z et h eo v e r - a l lb a n d w i d t ho c c u p a t i o ni nt h eh w n t w os u b o p t i m a ls o l u t i o na l g o r i t h m sa 圯p r o - p o s e d lw h i c hg r e a t l yr e d u c et h e o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h eo p t i m a la l g o r i t h m , i e ，t h ee n u m e r a t i o nm e t h o d i nc o m p a r i s o n w i t ht h et r a d i f i o n a ll o a db a l a n c i n ga l g o - r i t h m , t h o s et w oa l g o r i t h m se f f e c t i v e l ye n h a n c et h en e t w o r kc a p a c i t ya n dr e d u c et h e o u t a g ep r o b a b i l i t yd u r i n g a c c e s ss e l e c t i o n ，a tt h ec o s to fas l i g h ti n c r e a s ei nc o m p u t a - t i o n a lc o m p l e x i t y i n o r d e r t o k e e p t h e m u l t i - m o d e m o b i l e t e r m i n a l m t ) a l w a y s b e s t c o n n e c t e d ( a 8 c ) i nt h eh w n ，t h ep r o b l e mo fd i s t r i b u t e da c c e s ss e l e c t i o ni ss t u d i e di nt h es e c o n dp a r t f i r s t ，a na d a p t i v eb a t t e r y - s i t u a t i o n - a w a r ea c c e s ss e l e c t i o ns c h e m ei sp r o p o s e df o rn i t s w i t hm u l t i p l ea c t i v ea p p l i c a t i o n s i nt h ep r o p o s e ds c h e m e pt h ew e i g h tf a c t o r si nt h e c o s tf u n c t i o na r ed y n a m i c a l l ya d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ea v a i l a b l eb a t t e r ye n e r g y , a n d t h ea c c e s ss e l e c t i o nb e h a v i o r so ft h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sa r ea d a p t i v e l yc o o r d i n a t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n gs e r v i c er e q u i r e m e n t a sar e s u l t ，af l e x i b l et r a d e o f fi sr e a l - i z e d b e t w e e n t h e s a t i s f a c t i o n d e g r e e o f b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t a n d t h e b a t t e r y l i f e t i m e t h e n , a na d a p t i v eh a n d o f ft i m ed e c i s i o ns c h e m e i sp r o p o s e dt oa v o i dt h eh a n d o f f s y n - c h r o n i z a t i o n e f f e c t ，w h i c h g r e a t l y e n h a n c e s t h e s e n s i t i v i t y o f t h e h a n d o f f s t a b i l i t y p e r i o d h l 英文摘要 a n dr e d u c e st h eu n n e c e s s a r yv e r t i c a lh a n d o f f s c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) i nt h eh w ni ss t u d i e di nt h et h i r dp a r t , a i m i n gt o c o o r d i n a t et h ee x i s t i n gc a cs c h e m e si nt h ea c c e s ss y s t e m s , a n dp r o v i d es e a m l e s sq u a l - i 哆o fs e r v i c e ( q o s ) t ot h ei n t e r - s y s t e mr o a m i n gm t s as e a m l e s s - q o s - o r i e n t e dc a c s c h e m ei sp r o p o s e df o ra l li n t e g r a t e dc e l l u l a r w l a nn e t w o r k , i nw h i c ht h ec a c p r o b - l e mi sm o d e l l e da sa no p t i m i z a t i o np r o b l e ma i m i n gt om i n i m i z et h eo v e r a l lg r a d eo f s e r v i c e ( g o s ) a c c o r d i n g l y , t h eo p t i m u m n u m b e r so fg u a r dc h a n n e l sa n db a l a n c ec h a r t - n e l sa r ed e t e r m i n e du n d e rd i f f e r e n tt r a 佑cl o a d s ，w h i c hg u a r a n t e e sf u l lu s eo ft h er a d i o r l 目o u r c ea n ds e a m l e s sq o sa tt h es a m et i l n e i n t e g r a t i o n o f a c c e s s s e l e c t i o n a n d c a l la d m i s s i o n c o n t r o l i n a h w n m a d e u p o f t w o s o f tc a p a c i t ys y s t e m s ( b a s e d0 1 1t h et e c h n o l o g i e so fc d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c - 嗍) a n do f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) r e s p e a i v e t y ) i s s t u d i e di i it h ef o u r t hp a r t f i r s t , ar e c e i v ep o w e re s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dat r a n s - m i tp o w e re s t i m a t i o na l g o r i t h ma r ep r o p o s e df o rt h ec d m a s y s t e ma n dt h eo f d m a s y s t e mr e s p e c t i v e l y , i no r d e rt oe s t i m a t et h et r a f f i cl o a di nt h e s ea c c e s ss y s t e m sd i s - t r i b u t e d l y a c c o r d i n g l y , ap o w e rt h r e s h o l db a s e dc a l la d m i s s i o np r e d i c t i o na l g o r i t h m a n dat r a n s m i tp o w e rb a s e da c c e s ss e l e c t i o na l g o r i t h ma r ep r o p o s e d w i t ht h e a i do f d i s t r i b u t e ds y s t e ml o a de s t i m a t i o n ，w i s ea o c e 鼯s e l e c t i o nd e c i s i o ni sm a d ei nt h em t ， a c h i e v i n gag r e a ti m p r o v e m e n ti nr i 渤u r c eu t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s , c o o r d i n a t e d r a d i ol ：_ e s o u r c em a n a g e - m e n t ，a c c e s ss e l e c t i o n , c a l la d m i s s i o nc o n t r o l , s e a m l e s sq o s l v 插图 插图 单频蜂窝网结构示意图， 2 异构无线网络结构示意图4 d r i v e 结构示意酗，9 雠网络结构示意图，2 9 m i r a i 网络结构示意图 仿真模型，3 8 采用s c e n a r i 0 1 时三种算法的总带宽占用4 0 采用s c e n a r i 0 1 时三种算法的中断概率4 0 采用s c e n a r i 0 2 时三种算法的总带宽占用4 1 采用s c e n a r i 0 2 时三种算法的中断概率，4 1 呼叫阻塞率5 7 带宽需求满意度，5 8 终端龟池的平均牛存周期，5 9 切换稳定期示意图6 0 系统模型6 5 w l a n 系统的可用带宽与网络分配向量平均值之间的关系6 9 w l a n 系统的接入延迟与刚络分配向量平均值之问的关系6 9 w l a n 系统的接入延迟与可用带宽之间的关系7 0 由四种算法所得到的稳定期长度的比较7 1 由四种算法所得到的不必要切换概率的比较。，7 2 g p r s w e a n 协同网络示意图7 1 6 稳态转移概率图，8 2 保护信道和平衡信道数目的最佳取值，8 5 重叠k 与非重叠区之问的q o s 公平因子，8 6 协删嘲络的g o s ，。8 7 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卫 1 2 3 4 5 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 插图 5 1 分布式准入预测与接入选择的算法流程8 9 5 2c d m a o f d m a 协同嘲络模型9 0 5 3s a m ep e r m b a s e 方案和d i f f e r e n tp e r m b a s e 方案的s i r 的百补累积分布 函数9 5 5 4 协同网络的巾断概率，1 0 5 5 5 策略组合( 二) 的新呼叫阻塞率和现有呼叫掉话率1 0 6 5 6 两种策略组合的吞吐量比较，1 0 7 i x 表格 表格 3 1 系统参数 5 1i e e e 8 0 2 1 6 e 巾规定的a m c 模式，9 6 x 声明及版权 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 自从上世纪八十年代以g s m ( 全球移动通信系统) 为代表的第二代移动通信系统( 简 称2 g 】开始在全球范围内迅速扩张以来，c d m a 2 0 0 0 ( 码分多址2 0 0 0 ) ，i e 醯8 0 2 1 1 a b w l a n ( 无线局域网) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 和w i b r o ( 无线因特网接入) 等许多不同类型的 无线接入系统r a d i oa c c e s ss y s t e m ，r a s 也如雨后春笋般蓬勃发展起来。由于这些无 线接入系统都是针对某些特定的业务类型和用户群体而专门设计的，所以在无线接入技 术、覆盖范围、可用带宽、资费水平、对用户移动性的支持和服务质量( q o s ) 保证等方 面都存在差异。如果按照网络覆盖范围来对现有的各种无线接入系统进行分类，大致可 以分为以下五类： 1 ) 卫星通信网络( s a t e l l i t en e t w o r k ) ，例如l e o ( 低地轨道系统) 和g e o ( 地球同步 轨道系统) 。这类网络能够提供全球覆盖，但是其资费水平很高，传输时延也很大( l e o 的传输时延约为2 0 - 2 5m s ，g e o 的传输时延约为2 5 0 - 2 8 0m s ) 。 2 ) 无线广域网( w w 怂0 ，例如g s m 、g p r s ( 通用分组无线业务) 以及c d m a 2 0 0 0 等蜂窝无线通信系统。这类系统的覆盖范围可达省际甚至洲际，支持静止、步行或者车 载的移动用户，当用户处于静止状态时最多能够获得2 m b s 的数据传输速率： 3 ) 无线城域网( w m a n ) ，例如与i e e e8 0 2 1 6 e 协议( 1 】1 兼容的w i b m 。这类网络 能够提供城域覆盖，峰值传输速率可达7 0m b s ，能够支持的最高移动速率约为1 2 0 k m h 。 4 ) 无线局域网( w l a n ) ，例如i e e e8 0 2 1 1 bw l a nf 2 】，能够在较低的资费水平下 提供最高可达1 1m b s 的数据传输速率，但是只能支持低速移动的用户，而且传输距离 只有几十米到几百米。 5 ) 无线个域网( w p a n ) ，例如b l u e t o o t h 。该系统的最高数据传输速率可达3 m b s ，传输距离通常不超过加米。 近年来，随着科学技术的突破以及i n t e m e t 业务的飞速发展，人们对通信业务的需 求逐渐由语音转变为对语音、数据、图像以及多媒体业务的综合需求，并体现出个性 化、多元化和移动化的特征，要求网络能够根据用户的个人喜好和消费习惯，在不同时 间、不同地点、不同环境为用户量身定制高质量的个性化服务。因此，现有的针对特定 业务类型而专门设计的无线接入系统已经无法满足用户日益复杂多变的业务需求，这 就促使业界开始探讨下代无线通信系统( 通常也称为4 g 系统) 的设计思路和发展方向 第一章绪 论 【3 ，4 ，5 】。迄今为止，关于4 g 是什么这个问题业界众说纷纭，不同的标准化组织和网络 运营商对4 ( 3 的理解和描述也不尽相同，但是从总体上看，可以将这些观点归结为以下 三个方面： 1 ) 革新式的发展路线，即定义全新的无线接口协议和无线接入技术，并在此基础上 部署新的无线接入系统，以满足下一代移动用户的各种业务需求。要实现上述目标，不 仅需要相当长的一段时闻来设计和标准化相应的无线接口协议和接入技术，还耍投入大 量的资金来购买频率许可证和部署新的网络基础设施。而且，无线运营商已经在现有的 无线接入系统中投入了大量的建设和维护成本，他们当然希望能够最大限度地利用原有 的网络资源，从而取得商业利益的最大化，因而不会轻易部署新的无线接入系统f 6 l 。由 此可见，革新式的发展路线在时效性和实用性方面都有所欠缺。 2 ) 单系统演进的发展路线，即充分利用现有的某种无线接入系统中的接入技术和网 络基础设施，利用一。定的技术增强手段实现系统的平滑过渡。例如在3 g p p ( 第三代合作 伙伴计划) 制定的u m t s ( 通用移动通信系统) 技术标准阴的基础上引入增强型u m t s 技术一高速下行分组接入( h s d p a ) 【8 】和高速上行分组接入( t s t r e a ) 【9 1 技术，从而在 后向兼容原有标准的前提下实现系统升级，最大程度地保护运营商的现有投资与商业利 益。 图1 1 ：单频蜂窝网结构示意图 本文作者也在单系统演进思路的指导下进行了相关的研究。为了改善传统的g s m 系统的性能，我们将基于正交频分复用的单频网技术( o f d m - s f n ) 【1 0 1 应用到g s m 系统中，进而提出了。种称为单频蜂窝网( s i n g l ef r e q u e n c y c e l l u l a rn e t w o r k ，s f c n ) 【1 1 】的新型蜂窝网络结构。如图1 1 所示，在每个用正六边形表示的g s m 蜂窝小区中， 2 第一章绪论 基站位于小区中心，并采用了1 2 0 度的定向天线，因而将每个小区划分为3 个扇区。 系统中采用了1x3 的频率复用模式，图1 1 中利用不同的颜色来表示各扇区中所采用 的不同频率集合。与传统的定向天线蜂窝系统不同，在单频蜂窝网中并没有把相邻小 区中的同频扇区相互隔离开来，而是通过扇区的重新排列，使得同频扇区彼此相邻。 因此，图1 1 中每3 个相邻的同色扇区就构成了一个新型的系统组成单元，即单频蜂窝 ( s i n g l ef r e q u e n c yc e l l ，s f c ) 。在每个单频蜂窝中，分布在六边形的三个角落上的三个 基站发射机构成了一个宏分集。将宏分集技术与o f d m 技术相结合，就可以在每个单 频蜂窝的下行链路中实现o f d m - s f n 【1 0 。虽然与d a b ( 数字音频广播系统) 和d v b - t ( 数字电视地面广播系统) 中的发射机宏分集相比，单频蜂窝宏分集中的发射机数量要少 得多，但是相应的所需覆盖的范围也要小很多( 仅为一个单频蜂窝的范围) ，因此单频蜂 窝网中的宏分集规模是足够大的。在上行链路中，采用选择性分集的接收方式，由三个 基站接收机中接收条件最好的基站负责接收上行数据。理论分析的结果显示，与单个接 收机的情况相比较，单频蜂窝两的上行链路至少可以提供1 7 6d b 的分集增益。除此之 外，我们还对传统的g s m 蜂窝系统和单频蜂窝网进行了性能比较。仿真结果显示，与 传统的g s m 蜂窝系统相比，单频蜂窝网在新呼叫阻塞率、切换呼叫掉话率、切换次数 以及系统容量等方面都取得了性能改善。而且，在建立单频蜂窝网的过程中，无论是上 行链路还是下行链路，都是在现有g s m 系统的基础上实现的，只需进行少量的硬件改 动。因此，单频蜂窝网也是一种能够充分保护运营商的现有投资与商业利益的低成本的 系统升级方案。 但是，由于受到技术兼容性和投资预算等因素的限制，单系统演进的发展路线所能 取得的性能提高毕竟是非常有限的，并不能为运营商提供长期的竞争优势。因此，单系 统演进的发展路线比较适合那些希望在短期内以较小代价改进系统性能的运营商，而并 不能作为一条长远的系统发展路线。 3 ) 多系统融合演进的发展路线。由于现有的各种无线接入系统在很多区域内都是重 叠覆盖的，所以可以将这些相互重叠的不同类型的无线接入系统智能地结合在一起， 共同为用户提供随时随地的无线接入，从而构成了一种如图1 2 所示的异构无线网络 ( h e t e r o g e n e o u sw h - e l e s sn e t w o r k s ，h w n ) 。所谓异构( h e t e r o g e n e o u s ) 【1 2 1 ，是指两 个无线接入系统采用了不同的无线接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不 同的无线运营商。在异构无线网络中，用户可以根据业务需要和网络状态等因素随时选 择接入到最合适的那个无线接入系统中，从而满足用户灵活多变的个性化业务需求。 对于无线运营商而言，如果希望将自己的无线接入系统加入到异构无线网络中，只 需在原有系统结构的基础上添加少量的网络实体并引入相应的管理功能，既不需要大量 3 第一章绪论 图1 2 ：异构无线网络结构示意困 的资金投入，也不需要漫长的建设周期，而且有利于提高原有系统的市场竞争力。另 外，通过合理的无线资源管理，可以充分利用异构无线髓络中各种无线接入系统的基础 设施和频率资源，并且充分激发这些系统的潜能，共同为用户提供单系统运营模式下所 无法支持的业务和功能，从而在满足用户复杂多变的个性化业务需求的同时提高无线运 营商的利润水平。因此，这种多系统融合演进的发展路线既具各了单系统演进路线的低 成本、低风险的优点，又能够满足革新式发展路线所制定的系统设计目标，是一种实用 性和时效性都很强的长期发展路线。 因此，很多业界和学术界人士都主张采取多系统融合演进的发展路线【6 ，1 3 , 1 4 ， 1 5 ，1 6 , a 7 1 。许多国际标准化组织和研究团体也成立了专门的任务组来进行相应的 研究，铡如欧盟的汽车多媒体环境( m u l t i m e d i ae n v i r o n m e n tf o rm o b i l e s ，m e m o ) 计划【1 8 1 和不对称宽带因特网接入系统( s y s t e mf o ra s y m m e t r i cb r o a d b a n di n t e r n e t a c c e s s ，s a b i n a ) 计划f 1 9 1 研究了g s m 系统与数字广播系统相融合的问题；欧洲电 信标准协会( e t s i ) 和第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 对3 ( 3 系统与w l a n 之间的结合方 式进行了深入的研究 2 0 ，2 1 ，2 2 1 ；欧盟第六框架计划( e l i f p 6 ) 中的a m b i e n t n e t w o r k s 【2 3 、d r i v e 【2 4 1 、w i n n e rf 2 5 1 和e v e r e s t 【2 6 1 等计划在异构无线网络的网络框架 和核心功能的实现等方面取得了丰富的研究成果。值得一提的是，我国信息产业部在 2 0 0 6 年发布的信息产业科技发展“卜砬”规划和2 0 2 0 年中长期规划纲要中也指 出，下一代无线通信系统的研发工作是“十。五”期间的重大科技项目之，而异构无 线通信系统的融合与瓦联技术是该项目的重要组成部分。 基于上述对业界发展现状的分析，我们有充分理由相信，下一代无线通信系统必将 4 第一章绪 论 是一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统有机融合在一起的开放式的多 层次网络环境，即异构无线网络。实现异构无线网络中各种无线接入系统之间的相互协 作和优势互补，从而为移动用户提供无所不在的个性化信息服务是下一代无线通信系统 需要解决的核心问题。 1 2 异构无线网络中的热点问题及其研究现状 据作者所知，学术界关于异构无线网络的研究最早可以追溯到1 9 9 5 年由美国加州 大学b e r k e l e y 分校发起的b a r w a n ( b a ya r e ar e s e a r c hw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ) 计 划【2 7 ，2 8 1 。该计划的负责人r h k a t z 在文献1 2 9 】中首次提出应该将相互重叠的各 种无线接入系统结合起来构成异构无线网络，从而满足未来移动用户多样化的业务需 求。k a t z 还在文献 3 0 1 中指出，异构无线网络中的移动终端应该具备面向多个无线接 入系统的网络接口( 这种终端称为多模移动终端，或简称多模终端) ，并将多模移动终端 在不同接入系统之间的切换定义为垂直切换( v e r t i c a lh a n d o f f ) ，而且在软件平台中成功 实现了多模终端在无线局域网和无线广域网之间的垂直切换。在随后的十几年中，异构 无线网络的构想在无线通信领域得到了普遍的认同并引起了广泛的关注，许多国际知 名的大学和研究机构也已经投入了相当多的科研力量，例如美国的c e o r g i a 理工大学和 f l o r i 出州立大学、芬兰的o d l u 大学、西班牙的c a t a l t m y a 理工大学和希腊的a t h e n s 大学，以及e r i c s s o n 研究院、n o k i a 研究院和l u c e n t 实验室等等。目前，关于异构 无线网络的研究主要集中在三个方面：1 ) 从终端的角度出发，研究多模移动终端的实 现；2 ) 从系统的角度出发，研究异构无线网络的网络框架，以及该框架中各种功能模块 的划分：3 ) 研究异构无线网络中各种功能模块的实现算法。在以下的1 2 1 节、1 2 2 节 和1 2 3 节中，将分别介绍这三方面问题中的研究热点。 1 2 1 多模移动终端的实现 虽然三星、高通和n e c 等公司都已经推出了商用的多模手机，不过这些多模手机 都是在芯片集成的基础上实现的，只能融合某些特定的通信标准，扩展性比较差。目 前被业界认为摄有发展前途的多模终端解决方案是软件定义无线电( s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o ，简称软件无线电) 【1 4 ，3 1 ，3 2 1 。所谓软件无线电，就是采用数字信号处理技术， 在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线收发机的各部分功能，包括 前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。软件无线电能够通过编程来实现不同 的通信模式和信令结构，可以任意改变信道接入方式和调制方式，还可以通过下载新 的应用软件或无线协议来升级原有的无线标准或者添加新的标准，从而实现多标准、 多频带、可重编程、可扩展的多模终端。美国s a n d b r i d g e 公司已经利用该技术研制出 5 第一章绪论 了世界上第一款融合所有接口标准的手机芯片，德闸仪器和i n t e l 等芯片巨头也在积极 地研发相关的芯片。现阶段，如何实现高性雒、体积小、造价低的宽带天线和射频模 块、宽带a d 变换模块和高速d s p 器件仍然是软件无线电研发中亟待解决的技术难题 f 1 2 , 3 3 1 。 1 2 2 异构无线网络的网络框架 异构无线网络的网络框架包含两个方面的要素：一是异构无线网络中的各种无线 接入系统之间以何种方式互连( i n t e r c o n n e c t i o n ) ，从而实现异构系统之间的有机结合 ( i n t e g r a t i o n ) ；二是异构无线网络中各种功能模块的划分方式，即由哪些模块来实现异 构无线网络中的各项管理功畿( 例如计费、无线资源管理和移动管理等等) ，以及这些模 块在网络框架中的分布位置。 对于现有的各种异构系统间的结合方式，如果按照系统间结合的紧密程度进行分 类，可以分为紧耦合( t i g h tc o u p l i n g ) 和松耦合( 1 0 0 s ec o u p l i n g ) 两种。这两种结合方式 是由e t s i 在b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s s n e t w o r k s ) 计划1 2 2 】中提出来的，虽然 在最初的定义中只考虑了3 g 与w l a n 这两种特定的无线接入系统相结合的情况，但实 际上对于任何类型、任意多个无线接入系统相互结合的情况同样适用。 所谓紧耦合，是指参与构成异构无线网络的无线接入系统之间存在主从关系。例 如，在u v f t s 与i e e e8 0 2 ，1 1w l a n 进行紧耦合的情况中，通常是将u m t s 作为主网 络，而将w l a n 作为从属网络，w l a n 中的接入点( a p ) 通过专用的接入网关连接到 i n v f r s 的核心网【3 4 ，3 5 ，3 6 , 3 7 1 。由于接入网关中实现了所有与u m t s 系统的无线接入 相关的协议功雒( 比如认证、授权以及移动管理等等) ，所以从u m t s 核心两的角度观 察，w l a n 只是u m t s 系统中的一个无线接入网。在这种锖况下，w l a n 中的全部业 务都被插入到u m t s 核心网中，而且w ia n 将与u m t s 的无线接入网共享u m t s 系 统所提供的认证、授权和计费( a a a ) 功能和信令协议，多模终端在u m t s 和w l a n 之间的垂直切换也可以由u m t s 的移动管理功能来实现。类似的，文献 3 8 1 中利用协 同单元( i w u ) 实现了g s m 系统与d e c t ( 数字增强无绳电话) 系统之间的紧耦合。然 而，紧耦合方式也存在许多缺点： 1 ) 无线接入系统在实现紧耦合的过程中，丰网络必须向从属网络开放自己的网络接 口和相关的网络数据库。如果从属网络与丰网络属于不同的网络运营商，主网络的网络 安全和商业利益有可能会受到威胁。因此，只有同属于个运营商的无线接入系统才 畿以紧耦合的身式实现网络瓦连，这点在很大程度上限制了紧藕合方式的使用范匿 【3 9 。 6 第一章绪论 现有的3 g 系统都是通过复杂的网络规划技术建立起来的，其小区容量以及各种 网络要素的配置都是经过仔细计算的，如果将3 g 系统作为主网络，而将从属网络中的 业务引入到3 ( 3 小区中，势必会影响3 g 的系统性能。因此，必须对主网络中的网络配 置进行修改，以处理来自从属网络的额外的业务载荷，否则主网络很可能会成为通信过 程中的瓶颈( b o t t l e n e c k ) 。 3 1 每当有新的从属网络需要连接到主网络的时候，就要对主网络中的网络配置进行 修改，以适应新的业务载荷条件，严重影响了整个异构无线髓络的可扩展性。 所谓松耦合，是指参与构成异构无线网络的无线接入系统之间是以相互独立的、平 行的方式结合在一起的，而不存在任何从属关系。松耦合方式能够最大限度的保持不同 无线接入系统之间的独立性，减少不同网络运营商之间的系统信息交互，所以即使是属 于不同网络运营商的无线接入系统也可以利用松耦合方式实现网络互连。而且，无线接 入系统在加入异构无线网络之后，不需要修改原有的网络部署和业务规划，既减小了异 构无线网络的建设成本和复杂度，也提高了网络的可扩展性。可见，与紧耦合方式相 比，松耦合方式在使用范围、